Rivelatori di Particelle Danilo Domenici

Cos’è un Rivelatore di Particelle Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle, come quelle prodotte per esempio da un decadimento nucleare, dalla radiazione cosmica, o dalle interazioni in un acceleratore di particelle. (Wikipedia) Quando una particella attraversa un mezzo rilascia una certa dose di energia o di momento per la cosiddetta Interazione Radiazione-Materia. I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando il loro elemento attivo viene colpito dalla radiazione. Il segnale può essere direttamente osservabile oppure può necessitare di un ulteriore processamento da parte di un sistema di lettura.

Tipi di Rivelatore di Particelle decadimento nucleare acceleratore di particelle radiazione cosmica

Caratteristiche dei Rivelatori Sensibilità: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Risposta: tipo di segnale prodotto. Spesso è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella. Risoluzione: capacità di distinzione tra due misure vicine di una grandezza fisica misurata. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata. Efficienza: frazione di particelle rivelate rispetto a quelle incidenti. Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per essere di nuovo attivo dopo la rivelazione di una particella e la formazione del segnale.

Un Rivelatore che abbiamo tutti: l’occhio sorgente bersaglio rivelatore L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio

Particelle come sonde della Materia Nello stesso modo facendo rimbalzare particelle riusciamo a capire molte caratteristiche del bersaglio Noi «vediamo» la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che rimbalzano sui rivelatori

Esperimento di Rutherford Rutherford capì come è fatto l’atomo e formulò il «Modello planetario» Ernest Rutherford Nobel 1908

Confronto tra l’Occhio umano e il Rivelatore di Rutherford Schermo al fluoro Sensibilità Fotoni (~ 1 eV) Alfa (~ 1 MeV) Risposta Impulso elettrico Variazione cromatica Risoluzione Spaziale ~ 100 µm ~ 1 mm Efficienza ~ 100% Tempo Morto 0.1 s – 1 s ∞ Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia. Un moderno apparato sperimentale è quindi costituito da un insieme di molti rivelatori diversi.

Il Rivelatore ATLAS a LHC Struttura a «cipolla»: diversi tipi di rivelatori uno dentro l’altro a formare strati di rivelazione intorno al punto dove si scontrano le particelle. I rivelatori interni devono avere un’alta risoluzione spaziale per distinguere tparticelle molto vicine. I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi Peso 7000 ton Superficie rivelatori 6000 m2 100G canali di elettronica Costo 400 M€ 2100 scienziati 37 nazioni Altezza 25 m Lunghezza 46 m

2 famiglie: Tracciatori e Calorimetri Tracciatori: usano gli urti atomici per campionare le tracce delle particelle cariche. Se immersi in un campo magnetico misurano la quantità di moto (impulso) della particella La particella esce dal rivelatore non perturbata Calorimetri Elettromagnetici: usano il fenomeno dello sciame elettromagnetico (causato dall’irraggiamento e dalla produzione di coppie) per rivelare elettroni e fotoni Calorimetri Adronici: usano gli urti nucleari per rivelare le particelle adroniche (cariche e neutre) La particella viene completamente assorbita

Calorimetri Calorimetro di CMS Calorimetro di ATLAS Calorimetro di KLOE

Tracciatori Tracciatore di CMS Tracciatore di LHCb Tracciatore di TOTEM

Interazione Radiazione - Materia Solamente 8 particelle vivono abbastanza a lungo da poter lasciare una traccia direttamente rivelabile Elettroni: urti atomici (f. em) + irraggiamento (f. em) Fotoni: produzione di coppie (f. em) Protoni: urti atomici (f. em) + urti nucleari (f. forte) Neutroni: urti nucleari (f. forte) Muoni: urti atomici (f. em) Pioni: urti nucleari (f. forte) Kaoni neutri: urti nucleari (f. forte) Kaoni carichi: urti nucleari (f. forte) + urti atomici (f. em) Particelle stabili Particelle che decadono con τ > 10-10 s Tutte le altre particelle (con τ < 10-10 s) non sono rivelabili direttamente, ma attraverso i loro prodotti di decadimento

Tracciatore: particelle cariche Magnete: piega le tracce delle particelle cariche Calorimetro EM: elettroni, positroni e fotoni Calorimetro adronico: adroni carichi e neutri Rivelatore di Muoni: muoni

Analisi degli Eventi Fotoni  Elettroni  Muoni  Pioni  Neutroni 

Schema del Rivelatore CMS a LHC

Evento H→ZZ→e+e- µ+µ- a CMS

Questa enorme capacità di calcolo è disponibile grazie alla GRID Computing Il sistema di filtro dei dati deve ridurre 1 PB/s in uscita dal rivelatore a 1 PB/y Questa enorme capacità di calcolo è disponibile grazie alla GRID Se mettessimo i dati di 1 anno di LHC su CD formerebbero una pila alta 20 km 23

Rivelatori di Particelle Parte 2 Danilo Domenici

Rivelatori a Semiconduttore Esempi di Rivelatori Camera a Bolle Scintillatori Fotomoltiplicatori Rivelatori Cerenkov Rivelatori a Gas Rivelatori a Semiconduttore

Camera a Bolle E’ costituita da un recipiente metallico contenente un liquido surriscaldato e compresso. Una particella carica ionizza il liquido e lungo il percorso si formano bollicine che possono essere fotografate ottenendo una ricostruzione delle tracce.

Tracce fotografate in Camera a Bolle Scoperta del positrone nel 1932 Dirac (N. 1933) Anderson (N. 1936) Scoperta della Λ0 nel 1951

Rivelatori a Scintillazione La particella incidente cede parte della propria energia allo scintillatore causando l'eccitazione di un elettrone. La seguente diseccitazione provoca l’emissione di un fotone visibile. Scintillatori a cristalli: NaI(Tl) LaBr3(Ce) CsI(Tl) PbWO4 BaF2 LSO(Ce) BGO YAP Alta densità – Grande produzione di luce Scintillatori plastici: Polistirene Alta velocità di risposta – Bassi costi BGO BaF2 Scintillatori Plastici Gli scintillatori sono sempre accoppiati ai Fotomoltiplicatori

Fotomoltiplicatori Sono rivelatori di luce basati sull’effetto fotoelettrico e l’emissione secondaria. Sono costituiti da un tubo di vetro sotto vuoto in cui sono presenti un fotocatodo, un anodo e diversi dinodi. I fotoni colpiscono il fotocatodo che emette elettroni che sono poi moltiplicati sui dinodi e raccolti sull’anodo creando un segnale di corrente. scintillatore fotomoltiplicatore

Rivelatori a Radiazione Cerenkov L’effetto Cerenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di una particella in moto ad una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo attraversato. Nobel 1958   Misurando l’angolo del cono di luce si ricava la velocità della particella. Se contemporaneamente misuro l’impulso posso identificare la particella  

Esempi di Radiazione Cerenkov Analogia con il Cono di Mach quando si supera la barriera del suono (1238 km/h) Luce Cerenkov emessa dal nocciolo di un reattore nucleare

Rivelatori a Gas Il più semplice Rivelatore a Gas è costituito da un condensatore cilindrico riempito di gas (es. Argon)   Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e–) Ione (Ar+). Il campo elettrico attira gli e– verso il filo accelerandoli fino ad innescare una Moltiplicazione a Valanga. La carica finale viene raccolta sul filo e produce un segnale elettrico.

Classificazione dei Rivelatori a Gas Cambiando la tensione applicata si hanno 3 diversi modi di funzionamento che caratterizzano 3 tipi di Rivelatori a Gas: Camera a Ionizzazione (radioprotezione) Contatore Proporzionale (fisica sperimentale) Contatore Geiger (radioattività ambientale)

Camere Proporzionali Multifilo (MWPC) Stesso principio dei rivelatori a geometria cilindrica. Il rivelatore è formato da molti fili paralleli posti tra 2 catodi ad una distanza di ~ 2 mm. Il segnale elettrico si forma sul filo più vicino alla particella dando una informazione sulla sua posizione. KLOE G. Charpak Nobel 1992

Rivelatori GEM (Gas Electron Multiplier) Costituiti da un sottile foglio kapton ricoperto di rame su entrambi i lati e microforato (diametro 70 µm, distanza 140 µm). Una differenza di potenziale (400 V) tra le 2 facce crea un intenso campo elettrico all’interno dei fori che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni -

Rivelatori a Semiconduttore L’ elemento attivo è un sottile strato di Semiconduttore drogato, principalmente Silicio (ma anche Ge, ZnCdTe, Diamante) Il materiale viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e) lacuna (h). Il campo elettrico attira gli elettroni verso l’anodo producendo un segnale elettrico. A differenza dei rivelatori a gas non c’è Moltiplicazione a Valanga perché la carica iniziale è già molto grande. La costruzione sfrutta la tecnologia di realizzazione dei chip elettronici

Rivelatori di Vertice al Silicio APD (Avalanche PhotoDiode) Sono rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (30µm) usati spesso come rivelatori di vertice, in zone molto vicine al punto di collisione dei fasci di particelle CLEO III Possono essere usati anche come rivelatori di luce: APD (Avalanche PhotoDiode) SiPM (Silicon PhotoMultipliers) Il principio di funzionamento è simile (ma opposto) a quello dei LED o delle Celle Solari

Ricadute tecnologiche dei Rivelatori: la PET (Positron Emission Tomography) SI inietta un radiofarmaco nel corpo del paziente e si rivelano i fotoni emessi Lo sviluppo sui rivelatori ha contribuito a migliorare la risoluzione delle immagini